(57)【要約】【課題】  セル積層体をセル毎あるいはセル群毎に分解しなくても、セルの性能診断を精度良く、しかも効率的に行えるようにすること。【解決手段】  複数のセルを備えると共に各セルに反応ガスを供給するためのガスマニホールドがセル積層方向に連通してなるセル積層体に対して、該セル積層体に含まれるセルの性能を診断する方法であって、反応ガスの供給端側から診断対象となるセル又はセル群までのセル積層方向に沿う距離に応じて異なる条件で診断する。例えば、セル積層方向の位置Ａ〜Ｃによらずに実ストイキ比ｃで発電させるために、位置Ａ，Ｂ，Ｃのセルの診断時には要求ストイキ比をそれぞれ「ｄ」，「ｃ」，「ｂ」に設定する。これら要求ストイキ比の大小関係は、ｂ＜ｃ＜ｄである。【選択図】  図１０
2006244856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを備えると共に各セルに反応ガスを供給するためのガスマニホールドがセル積層方向に連通してなるセル積層体に対して、該セル積層体に含まれるセルの性能を診断する方法であって、
少なくとも一部のセルに対して互いに異なる条件で性能を診断する、セルの診断方法。
【請求項２】
前記条件は、反応ガスの供給状態である、請求項１に記載のセルの診断方法。
【請求項３】
前記反応ガスの供給状態がガス供給量であり、
このガス供給量を前記距離が遠いほど増加させる、請求項２に記載のセルの診断方法。
【請求項４】
前記条件は、診断に用いられる指標である、請求項１に記載のセルの診断方法。
【請求項５】
前記診断に用いられる指標がセル電圧の閾値であり、
この閾値を前記距離が遠いほど減少させる、請求項４に記載のセルの診断方法。
【請求項６】
反応ガスの供給端側から診断対象となるセル又はセル群までのセル積層方向に沿う距離に応じて、セル毎又はセル群毎に互いに異なる条件で診断する、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のセルの診断方法。
【請求項７】
セルの個体差に応じて、互いに異なる条件で診断する、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のセルの診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル積層体に含まれるセルの性能を診断する方法に関し、特に、誤診断の防止に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池（セル）をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムの出力変動要因を推定可能にすべく、特許文献１には、セル積層体に含まれる多数のセルを複数のセルグループに分け、セルグループ毎の出力電圧を測定することにより、燃料電池の運転状態を診断する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１２７９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、セル積層体に供給される反応ガスは、セル積層方向の一端側に開口するガス供給口より導入され、セル積層方向に沿って連通するガスマニホールドを通じて各セルに分配されるため、ガスマニホールドでの圧損により、反応ガス供給側（ガス供給口）から遠いセルほど、セル電圧が低下する傾向がある。
【０００４】
したがって、例えば出荷検査時や車載後の定期点検時等においては、かかる傾向を加味してセルの性能を診断しないと、反応ガス供給側に近いセルに対しては、「セル電圧が所定の閾値（図１１の破線参照）を超えているので、規格値を満足している。」と誤って診断する虞がある一方、反応ガス供給側に遠いセルに対しては、「セル電圧が所定の閾値（図１１の破線参照）に満たないので、規格値を満足してない。」と誤って診断する虞がある。
【０００５】
その一方で、セル積層体をセル毎に分解して診断を行えば、上記圧損による問題は生じないが、分解・再組立を伴うため、非効率である。また、セル積層体をセル毎に分解して性能を診断する場合であっても、診断対象となる全てのセルに対して同一条件で診断を行ったのでは、セルの固体差に由来して誤った診断を行う虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、セル積層体に含まれるセルの性能診断を精度良く、しかも効率的に行うことのできる、セルの診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るセルの診断方法は、複数のセルを備えると共に各セルに反応ガスを供給するためのガスマニホールドがセル積層方向に連通してなるセル積層体に対して、該セル積層体に含まれるセルの性能を診断する方法であって、少なくとも一部のセルに対して互いに異なる条件で性能を診断する。例えば、反応ガスの供給端側から診断対象となるセル又はセル群までのセル積層方向に沿う距離に応じて、あるいはセルの個体差に応じて、互いに異なる条件で診断する。
【０００８】
この診断方法によれば、セル積層体の分解を伴わずに、セル毎又はセル群毎の診断条件をセル積層方向の位置やセルの固体差によらずに一定にし得て、位置依存性や個体差の影響を抑制することができる。
【０００９】
前記条件は、反応ガスの供給状態、例えばガス供給量（あるいはストイキ比）であってもよく、このガス供給量を前記距離が遠いほど増加させてもよい。例えば、隣り合うセル同士を比較したときに前記距離が遠いセルほどガス供給量を増加させる、あるいは、隣り合うセル群同士を比較したときに前記距離が遠いセル群ほどガス供給量を増加させる。
【００１０】
このような構成によれば、反応ガスの供給端側からセル積層方向に遠ざかるに従い減少するセル又はセル群への反応ガス分配量を、診断対象となるセル毎またはセル群毎に均等化させることが可能となる。
【００１１】
前記条件は、診断に用いられる指標、例えばセル電圧の閾値であってもよく、この閾値を前記距離が遠いほど減少させてもよい。例えば、隣り合うセル同士を比較したときに前記距離が遠いセルほど閾値を下げる、あるいは、隣り合うセル群同士を比較したときに前記距離が遠いセル群ほど閾値を下げる。
【００１２】
このような構成によれば、反応ガスの供給端側からセル積層方向に遠ざかるに従い減少するセル電圧に対応して、診断に用いられるセル電圧の閾値を減少（オフセット）させているので、セル積層方向の位置が反応ガスの供給端側から遠いために前記閾値よりも低めにセル電圧が検出されたセル又はセル群、あるいは、セル積層方向の位置が反応ガスの供給端側から近いために前記閾値よりも高めにセル電圧が検出されたセル又はセル群、に対する誤診断を有効に回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セル積層体をセル毎あるいはセル群毎に分解しなくても、セルの性能診断を精度良く、しかも効率的に行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係るセルの診断方法の実施に用いられる診断システムの一例を示す概略構成図である。なお、本発明の診断方法は、セル積層体あるいはそれを備えた燃料電池スタックの出荷元での出荷検査時だけでなく、例えば、セル積層体を備えた燃料電池スタックをエネルギ源とした燃料電池車両の定期点検時等にも適用することが可能である。
【００１５】
図１に示した診断システムは、最小発電単位となるセル１（図２）を複数積層してなるセル積層体１０と、セル積層体１０に反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を導入するガス供給系２０，２１と、セル積層体１０から各反応ガスのオフガスを導出するガス排出系３０，３１と、セル積層体１０を冷却する冷却水系（図示略）と、各セル１あるいは所定数のセル群ごとのセル電圧を検出するセル電圧モニタ５０と、当該診断システムを統括制御する制御装置６０と、セル積層体１０に接続された負荷７０とを備える。
【００１６】
ガス供給系２０，２１及び／又はガス排出系３０，３１には、セル積層体１０への反応ガス供給量を調整するガス供給量調整手段が設けられている。このガス供給量調整手段は、例えば、反応ガスをセル積層体１０に圧送するポンプ（エアコンプレッサ等）、ガス供給系２０，２１におけるセル積層体１０の入口付近及び／又はガス排出系３０，３１におけるセル積層体１０の出口付近に設けられた弁（背圧弁等）のうち、少なくとも１つを備えて構成される。
【００１７】
これらポンプを駆動するモータ（図示略）の回転数及び弁の開度は、制御装置６０から供給される制御信号によって制御される。制御装置６０には、セル電圧モニタ５０の検出信号が供給される。
【００１８】
セル１は、ＭＥＡ（膜−電極接合体）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。各セパレータには、反応ガスを給排するためのガスマニホールド及び冷却水を給排するための冷却水マニホールドがセパレータ面を貫通してそれぞれ別個に形成されていると共に、これらマニホールドを介して供給された反応ガス及び冷却水をセル１内またはセル１間に導くガス流路がセパレータ面に沿って形成されている。
【００１９】
複数のセル１を積層してセル積層体１０を構成すると、各ガスマニホールド及び各冷却水マニホールドはセル積層方向に沿って互いに連通し、反応ガスはガスマニホールドを通じて各セルに分配されて発電に供され、冷却水は冷却水マニホールドを通じてセル間に分配されてセル積層体１０を冷却する。
【００２０】
制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成されていて、制御プログラム等によって各種の弁類やモータ類の運転を制御する他、セル積層体１０に含まれるセル１の性能を診断する。
【００２１】
具体的には、図１２に示すように、セル積層体１０に反応ガスを供給しつつセル電圧モニタ５０から供給されるセル電圧（診断に用いられる指標）を監視（検知）し、該セル電圧と所定の閾値（図１２の破線）との比較結果に基づき、セル１毎あるいはセル群毎にセル１の性能診断を実施する。例えば、あるセル１のセル電圧が所定の閾値よりも低い場合、当該セル１は発電不良と診断される。
【００２２】
この診断の際、各セル１に分配される反応ガスは、セル積層体１０のセル積層方向の一端側よりガスマニホールドを介して供給されているので、図１１に示すように、ガスマニホールドでの圧損により、ガス供給口が開口する反応ガス供給端１０Ａ側から遠いセル１ほど、反応ガス供給量（あるいは実ストイキ比）が減少し、セル電圧モニタ５０で検出されるセル電圧が低下するという。
【００２３】
そこで、本実施形態では、セル１又はセル群へのガス供給量がセル積層方向の位置によらずに一定となりようにして、セル１の性能診断を行う。
【００２４】
図３〜図８は、図２に示したセル積層体１０に含まれるＮｏ．９，…，Ｎｏ．１７３の各セル１について、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧（縦軸）と、エアストイキ比（横軸）との関係を示す図である。これらの図において、実線はセル積層状態で検出したセル電圧であり、破線は単セル状態で検出したセル電圧である。
【００２５】
また、図３〜図８にエアストイキ比やセル電圧の具体的数値は図示されていないが、各図のプロットは、各図共通のエアストイキ比で発電したときのセル電圧を示している。例えば、図３〜図８の各ストイキ比ａは全て同一値であり、残りのストイキ比ｂ〜ｅについても同様である。また、セル電圧についても、図３〜図８の縦軸には共通の目盛り（実線、破線）が付されており、例えば図３〜図８のセル電圧値ｙは全て同一値であると共に、一目盛り当たりの電圧幅も各図共通である。
【００２６】
ここで、例えばＮｏ．９のセル１とは、セル積層体１０の反応ガス供給端１０Ａ側と反対側（図２では左端側）から９番目に位置するセル１を意味する。また、エアストイキ比とは、燃料電池（セル積層状態のセル積層体１０、単セル状態のセル１）に供給する酸化ガス量と、該燃料電池で消費される酸化ガス量との比を意味し、エアストイキ比＝供給酸化ガス量／消費酸化ガス量である。
【００２７】
図３〜図６に示すように、Ｎｏ．９，…，Ｎｏ．１０３のセル１では、比較的低いエアストイキ比ａ，ｂのときに、単セル状態で発電したときのセル電圧（以下、セル電圧Ｖｃ）と、セル積層状態で発電したときのセル電圧（以下、セル電圧Ｖｓ）との乖離が大きく、しかも、その乖離幅は酸化ガスの供給端１０Ａ側から遠いセル１ほど大きい。これに対し、Ｎｏ．１７１及びＮｏ．１７３のセル１では、図７及び図８に示すように、セル電圧Ｖｃとセル電圧Ｖｓとの乖離幅が全エアストイキ比ａ〜ｅ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ）で小さいといえる。
【００２８】
一方、Ｎｏ．９，…，Ｎｏ．１０３のセル１であっても、比較的高いエアストイキ比ｃ〜ｅのときはセル電圧Ｖｃとセル電圧Ｖｓとの乖離が小さい。以上のことから、エアストイキ比を高めに設定（例えば、エアストイキ比ｄ，ｅ）してセル積層体１０への酸化ガス供給量を増やせば、検出されるセル電圧のセル積層方向に沿う位置依存性の影響を抑制できることがわかる。
【００２９】
図９及び図１０は、セル積層状態でのエアストイキ比の位置依存性を示す図である。図９中のプロットは、所定のエアストイキ比ｃで発電した時に各セル１に実際に流れる実ストイキ比を示しており、同図には各プロットを滑らかに結んだ実ストイキ曲線の他に、該実ストイキ曲線を線形化したものも示されている。この実ストイキ比は、図３〜図８より求めることができる。
【００３０】
一方、図１０中のプロットは、所定のエアストイキ比ｃを得るのに必要な要求ストイキ比を示しており、同図には各プロットを滑らかに結んだ要求ストイキ曲線の他に、該要求ストイキ曲線を線形化したものも示されている。この要求ストイキ比は、実ストイキ比と同様、図３〜図８より求めることができる。
【００３１】
図９に示すように、酸化ガスの実ストイキ比は、セル積層体１０の酸化ガス供給端１０Ａからセル積層方向に遠ざかるほど減少しており、セル積層状態では位置依存性のあることがわかる。従って、この実ストイキ比の位置依存性に対応して、酸化ガスの要求ストイキ比を、図１０に示すように、酸化ガス供給端１０Ａからセル積層方向に遠ざかるほど、段階的に増加させてセル１の診断を行えば、セル積層状態であっても位置依存性の影響を抑制することができる。
【００３２】
例えば、セル積層体１０に含まれる全てのセル１に対する実ストイキ比を概ね「ｃ」に統一したい場合には、以下に述べるガス供給条件にて診断を行う。すなわち、図１０に示すように、セル積層体１０の位置Ａ（図２参照）の領域に含まれるセル１を診断する際には、要求ストイキ比を「ｃ」よりも大きい「ｄ」に設定する。すると、マニホールドでの圧損によって当該セル１には実ストイキ比が概ね「ｃ」となるように反応ガスが分配される。
【００３３】
同様にして、セル積層体１０の位置Ｂの領域に含まれるセル１を診断する際には要求ストイキ比を「ｃ」に設定し、セル積層体１０の位置Ｃの領域に含まれるセル１を診断する際には要求ストイキ比を「ｃ」よりも小さい「ｂ」に設定する。以上のように要求ストイキ比を設定した場合には、要求ストイキ比が一定であるとセル電圧がガス供給端１０Ａ側から遠ざかるに従い低下するという傾向（図１１）が解消される（図１２）。
【００３４】
よって、診断対象となるセル１又はセル群のセル積層方向の位置がガス供給端１０Ａから遠いために、ガス供給量一定の条件下では相対的にガス供給量が減少してしまう結果、図１１に示すようにセル電圧が閾値よりも低く検出される虞のあるセルＡ，Ｂ（又はセル群）に対しては、本来ならばセル電圧が図１２に示すように閾値以上であるにもかかわらず、これを発電不良と誤診断することを回避することができる。
【００３５】
また、診断対象となるセル１又はセル群のセル積層方向の位置がガス供給端１０Ａから近いために、ガス供給量一定の条件下では相対的にガス供給量が増加してしまう結果、図１１に示すようにセル電圧が閾値よりも高く検出される虞のあるセルＣ，Ｄ（又はセル群）に対しては、本来ならばセル電圧が図１２に示すように閾値未満であるにもかかわらず、これを発電不良でないと誤診断することを回避することができる。
【００３６】
以上説明したとおり、本実施形態によるセルの診断方法によれば、セル積層体１０の位置Ａに含まれるセル１又はセル群を診断するときと、位置Ｂに含まれるセル１又はセル群を診断するときと、位置Ｃに含まれるセル１又はセル群を診断するときとでは、互いに異なるストイキ比（条件）で酸化ガスを供給し、位置Ａ〜Ｃでの実ストイキ比を一定にしたときのセル電圧に基づき、セル１又はセル群を診断している。
【００３７】
これにより、反応ガスの供給端側からセル積層方向に遠ざかるに従い減少するセル１又はセル群への反応ガス分配量を、診断対象となるセル１間またはセル群間で略均等化することが可能になるので、セル積層体１０をセル１毎又はセル群毎に分割せずとも、一定の発電条件下でセル１の診断を精度良く行うことができる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
上記実施形態では、セル１毎又はセル群毎にガス供給量を変えて診断を行っていたが、セル１毎又はセル群毎のガス供給量は一定にしつつも、診断に用いられる指標、例えばセル電圧の閾値（図１２の破線）をセル積層体１０のガス供給端１０Ａからの距離が遠いほど減少させることとしてもよい。例えば、隣り合うセル１又はセル群同士を比較したときにガス供給端１０Ａからの距離が遠いセル１又はセル群ほど閾値を下げる。
【００３９】
この構成では、ガス供給端１０Ａ側からセル積層方向に遠ざかるに従い減少するセル電圧に対応して、診断に用いられるセル電圧の閾値を減少（オフセット）させているので（以下、オフセット閾値）、上記実施形態と同様に、誤診断を回避することができる。
【００４０】
つまり、診断対象となるセル１又はセル群のセル積層方向の位置がガス供給端１０Ａから遠いために、ガス供給量一定の条件下では相対的にガス供給量が減少してしまう結果、図１１に示すようにセル電圧が閾値（破線）よりも低く検出される虞のあるセルＡ，Ｂ（又はセル群）に対しては、本来ならばセル電圧が同図の鎖線で示すオフセット閾値以上であるにもかかわらず、これを発電不良と誤診断することを回避することができる。
【００４１】
また、診断対象となるセル１又はセル群のセル積層方向の位置がガス供給端１０Ａから近いために、ガス供給量一定の条件下では相対的にガス供給量が増加してしまう結果、図１１に示すようにセル電圧が閾値（破線）よりも高く検出される虞のあるセルＣ，Ｄ（又はセル群）に対しては、本来ならばセル電圧が同図の鎖線で示すオフセット閾値未満であるにもかかわらず、これを発電不良でないと誤診断することを回避することができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
ところで、図３〜図８の破線は、単セル状態で検出したセル電圧を示すものであるから、各セルの性能に固体差がなければ、セル積層状態での積層方向位置に関係なく、各図共通のセル電圧特性が観測されるはずである。ところが、図３〜図８の破線を互いに比較してみると、共通するエアストイキ比に対して異なるセル電圧が検出されているので、これらの相違はセルの固体差によるものと考えられる。
【００４３】
そこで、本実施形態では、セル積層体を構成するセルの個体差を予め把握しておき、このセルの個体差に応じて、互いに異なる条件（例えば、ガスの供給量や性能判断のための指標など）でセルの性能を診断する。この診断方法によっても、上記実施形態と同様、セル積層体の分解を伴わずに、セルの固体差に応じて設定した条件で診断を行うことにより、個体差の影響を抑制することができる。
【００４４】
＜他の実施形態＞
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、本発明に係るセルの診断方法は、セル積層体を含む燃料電池スタックをエネルギ源とする燃料電池システムが搭載された燃料電池車両において、その定期点検の際にも適用することができる。また、定期点検時に限らず、始動時や運転中の点検にも適用可能である。
【００４５】
また、上記制御装置６０の代わりに、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の車載制御装置に本発明に係る性能診断を実行させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るセルの診断方法の実施に用いられる診断システムの一例を示す概略構成図。
【図２】セル積層体に含まれるセルの積層方向の位置関係を示す正面図。
【図３】セル積層体に含まれるＮｏ．９のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図４】セル積層体に含まれるＮｏ．２６のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図５】セル積層体に含まれるＮｏ．７１のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図６】セル積層体に含まれるＮｏ．１０３のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図７】セル積層体に含まれるＮｏ．１７１のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図８】セル積層体に含まれるＮｏ．１７３のセルについて、セル積層状態と単セル状態のそれぞれで発電したときのセル電圧と、エアストイキ比との関係を示す図。
【図９】セル積層状態でのエアストイキ比の位置依存性を示す図であって、所定のエアストイキ比ｃで発電した時に各セルに実際に流れる実ストイキ比を示す図。
【図１０】セル積層状態でのエアストイキ比の位置依存性を示す図であって、所定のエアストイキ比ｃを得るのに必要な要求ストイキ比を示す図。
【図１１】セル積層体へのガス供給量を一定にしたときのセル電圧と積層方向位置との関係を示す図。
【図１２】セル積層体へのガス供給量をガス供給端側からセル積層方向に遠ざかるに従い増加させたときのセル電圧と積層方向位置との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４７】
１…セル、１０…セル積層体、１０Ａ…ガス供給端、５０…セル電圧モニタ、６０…制御装置
【図１】
2006244856.tif 000003
【図２】
2006244856.tif 000004
【図３】
2006244856.tif 000005
【図４】
2006244856.tif 000006
【図５】
2006244856.tif 000007
【図６】
2006244856.tif 000008
【図７】
2006244856.tif 000009
【図８】
2006244856.tif 000010
【図９】
2006244856.tif 000011
【図１０】
2006244856.tif 000012
【図１１】
2006244856.tif 000013
【図１２】
2006244856.tif 000014